油膜轴承变形和压力分析

　第44卷　第3期　2009年3月

钢铁

Iron and Steel

　Vol.44,No.3

March 2009

油膜轴承变形和压力分析

Thomas E Simmons ,　Andrea Contarini ,　Nonino G ianni

(达涅利油膜轴承公司)

摘　要:轧机油膜轴承最新试验结果表明,实测油膜厚度比计算机模型预测值大3～5倍。这意味着,油膜厚度增加是由于锥套和衬套变形的结果,这种变形会导致锥套和衬套压力场扩大,进而导致油膜厚度增加。如果油膜厚度真的比预想的高3～5倍,则不但可以充分利用轴承固有的安全系数,而且还可以提高轴承的最大运行负荷。为确认试验结果,DanOil 油膜轴承工程师构建了因液体动压场变化而导致的锥套变形模型,然后将这种变形用于复杂的计算机轴承模拟程序,来计算新的压力场。对压力场和锥套变形进行重复迭代计算,直到计算结果收敛为止。介绍了这一分析方法和计算结果。

关键词:油膜轴承;油膜厚度;压力场;变形

中图分类号:T H13313 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2009)0320093204

Deflection and Pressure Analysis of Oil Film B earings

Thomas E Simmons ,　Andrea Contarini ,　Nonino G ianni

(Danieli DanOil )

Abstract :Recent tests on rolling mill oil film bearings have indicated that the oil film thickness is three to five times greater than predicted by computer models.It has been implied that the increase in oil film thickness is due to the deflection of the sleeve and bushing ,which would spread out the pressure field increasing the oil film thickness.I f the oil film thickness is three to five times greater than expected ,the maximum operating load can be increased tak 2ing advantage of the inherent safety factor in the bearing.To confirm the test results ,DanOil engineers modeled the sleeve deflection produced by the hydrodynamic pressure field and then used this deflection in a sophisticated bearing computer program to calculate the new pressure field.The iteration of the pressure field and deflection was contin 2ued until the model converged.The paper presents the method of analysis and the results.K ey w ords :oil film bearing ;oil film thickness ;pressure field ;deformation

联系人:苏宏蕾,女; E 2m ail :h 1su @china 1danieli 1com ; 修订日期:2008209219

油膜轴承广泛用于世界各地数以百计的板带轧机上。这种轴承可用在中板轧机、热轧机、冷轧机、平整机上等,使用寿命长,可实现无故障运行。轴承工作时,其表面覆盖一层薄薄的油膜,具有很小的摩擦力。这是轴承使用寿命长的原因。由于没有金属之间的直接接触,因此轴承几乎没有磨损。轧机上使用的油膜轴承由一个锥套(辊颈)和一个衬套(轴承)组成,如图1所示。

辊颈和轴承表面之间由一层油膜将其分隔开来,形成一小间隙,在载荷作用下,辊颈中心线和轴承中心线不会重合,但它们之间会存在一定的距离,这一距离称为偏心距e 。偏心距和滑动表面之间的相对运动,将建立起一个会聚楔;由于油膜内的粘性作用而形成一个压力场。正是这个压力场支撑着轴承的载荷,如图2所示。图中表示的是一个标准圆柱形滑动表面。

其中,x =R

θ,u =R ω;R 为辊颈半径;C 为半径图1　支撑辊轴承

Fig 11　B ackup roll bearing

钢　铁第44

卷

图2　辊颈轴承示意图和符号

Fig12　Schem atic and notation of journal bearing

间隙;ε=e/C为偏心率比;θ为油膜厚度的角坐标;θ

0为最小油膜厚度的角坐标;ω为辊颈角速度。

1　理论背景

压力场基本控制方程为雷诺方程,这是一个二阶线性偏微分方程。在稳态条件下,三维雷诺方程的一种形式可表述为:

5

5x h35p

5x+

5

5z h3

5p

5z-6μu

5h

5x=0

式中,p为压力;h为油膜厚度;μ为润滑油动力粘度;两个空间坐标由x和z表示。轴承固定,辊颈沿x轴定义的圆周方向以稳定的圆周速度u转动。辊颈和轴承在与x轴垂直的z轴方向划分为有限宽度。这样,就包含了润滑油沿x轴方向和z轴方向流动所产生的作用。通过有限差分法,可得到三维雷诺方程的数值解,从而确定轴承运行特性,如最小油膜厚度、峰值压力、摩擦损失、润滑油流量要求和温升等参数。

尽管人们根据经验都知道,润滑油粘度是随着润滑油温度和压力的变化而变化的。但这些影响并未包括在Boyd&Raimondi解中,因为通过数值计算方法求解过于复杂。当取轴承内润滑油平均温度下的粘度进行计算时,可最大限度地减小“润滑油粘度不随温度变化”的假设带来的计算误差。若假设轴承在压力场作用下的变形和润滑油粘度随压力变化的情况忽略不计,但需要考虑由负压造成的油膜破裂现象。

2　难以解决的问题

在第41届ABM轧制工艺、轧制技术和镀层产品研讨会上,摩根制造公司提交一份试验报告。试验结果表明,在低速重载条件下,利用Boyd& Raimondi算法得到的沿负载方向上的油膜厚度,要大于雷诺方程计算结果的3～5倍。

曾有人提出,锥套和衬套变形有可能引起油膜压力场特性发生变化,这种变化与经典理论预测结果不同。根据这种想法,在低速重载条件下,锥套变形将使辊颈表面趋于平坦。这将使压力场向外延伸,从而导致油膜厚度增加。而油膜厚度增加后,又将使轴承最大承载能力增大。这一假说激起DanOil油膜轴承工程师们的极大兴趣。

在高速轻载条件下,锥套和衬套变形较小,油膜厚度更接近于计算机模拟计算结果,这是符合逻辑的,因为变形减小。

3　最新解决方案

目前,还没有一种现成的计算机软件能够确定油膜轴承在轧机运行条件下的工作特性。传统方法,如Boyd&Raimondi方法,都是假设没有变形,或者偏心,辊颈和轴承都拥有理想的圆柱表面。

事实上,锥套变形和压力场却是个因变量。锥套变形将随着压力场的变化而变化;而压力场又随着锥套的变形而变化。没有哪个计算机软件将这两点都考虑进去。

DanOil油膜轴承工程师们提出一种全新的分析方法。这种方法的实质是利用弹性流体动力学理论,对油膜轴承的固体场和流场进行分析。

将能够计算压力场与锥套和衬套变形的有限差分法(FDM)计算软件,与能够计算由压力场变化而引起锥套和衬套变形的有限元分析(FEA)软件结合起来使用,即可进行弹性流体动力学分析。这两个程序可通过MA TL AB高性能工程计算语言连接起来。

DanOil油膜轴承计算分析方法是一种迭代算法,包括以下几个基本步骤:首先,计算出一个油膜厚度和压力分布的初始值。然后由MA TLAB将载荷传给FEM有限元分析软件。接下来,计算轴颈和轴承表面变形,再将计算结果传回FDM有限差分计算软件。将最新得到的变形结果用于FDM计算,以得到经过改进的油膜厚度和压力分布结果,供下一次迭代计算使用。利用固体和液体分析方法反复进行迭代计算,直到最终迭代结果达到某一预定的精度范围内。

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